(57)【要約】【課題】作動温度が３００℃以上の燃料電池の均一な温度制御を効率的に行うことができると共に、円滑な始動及び作動を確保することができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】水素を含有する水素含有燃料ガス５１を利用して発電を行う燃料電池３を備えた燃料電池システム１。燃料電池システム１は、燃料電池３を冷却するための冷却媒体４０を循環させる冷媒循環流路４を有している。冷却媒体４０は、無機系冷媒と、無機系冷媒よりも融点の低い低融点媒体とを混合してなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含有する水素含有燃料ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
該燃料電池システムは、上記燃料電池を冷却するための冷却媒体を循環させる冷媒循環流路を有しており、
上記冷却媒体は、無機系冷媒と、該無機系冷媒よりも融点の低い低融点媒体とを混合してなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、上記燃料電池は、上記水素含有燃料ガスが供給されるアノード流路と、酸素を含有する酸素含有ガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、該電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有燃料ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過した上記水素を水素プロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層とを積層してなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２において、上記無機系冷媒は、上記燃料電池の作動温度域で液体状態にある無機系冷媒であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項において、上記無機系冷媒は、硝酸カリウム、亜硝酸ナトリウム、硝酸ナトリウムの少なくとも１種を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項において、上記低融点媒体は、上記無機系冷媒よりも沸点が低いことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項において、上記燃料電池システムは、上記低融点媒体を上記無機系冷媒から分離して貯蔵するための分離機構を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項において、上記低融点媒体は水であることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を含有する水素含有燃料ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水素を含有する水素含有燃料ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムとして、例えば特許文献１あるいは特許文献２に示すものがある。
上記燃料電池には適切な作動温度があるため、上記燃料電池の温度をこの作動温度領域内に保つよう、温度レベル、分布を制御する必要がある。
そのために、上記燃料電池システムにおいては、気体あるいは液体の冷却媒体を流通させて、燃料電池の温度上昇を防ぎ、温度制御を行っている。
【０００３】
一方、燃料電池の作動温度を例えば３００℃以上の所定領域とする場合も考えられる。
このような高温の温度領域を作動温度とする燃料電池としては、例えば特許文献３に示すものがある。この燃料電池においては、改質器を用いて炭化水素等を改質して上記水素含有燃料ガスを生成する場合に、該水素含有燃料ガスの温度を大幅に冷却させる必要がないなどの利点がある。上記改質器において生成される水素含有燃料ガスは４００℃以上の高温にあるが、上記燃料電池の作動温度もこれと略同等の高温であるからである。
【０００４】
しかし、上記のような高温で作動する燃料電池の温度制御に、例えば炭化水素系等の有機系の液体冷媒を用いると、炭化などの問題が生ずるおそれがある。このように、有機系の液体冷媒は、３００℃を超える温度領域においては耐熱性の観点から使用が困難となるおそれがある。
一方、気体の冷却媒体を用いると、熱容量が小さいために、冷却媒体の流量を非常に大きくする必要があると共に、上記冷却媒体を適量使用した場合には燃料電池内を循環する間に温度が大きく上昇してしまうために、燃料電池内において温度分布が発生しやすいという問題がある。これにより、燃料電池の均一な温度制御が困難となる。
【０００５】
燃料電池の内部において温度分布が発生すると、熱応力が発生し、燃料電池の耐久性が低下するおそれがある。
また、燃料電池内における局所的な温度低下は、電解質導電率の低下や水素脆化などの要因となり、また、局所的な温度上昇は、金属拡散による劣化の要因となって燃料電池の耐久性の低下の原因となるおそれがある。
【０００６】
更に、３００℃以上の温度において液体状態にある冷却媒体であっても、例えば常温まで温度が下がると固形化してしまう場合もある。それ故、燃料電池システムの定常作動時は液状を保っていても、停止時において冷却媒体が固形化してしまうという問題が考えられる。
冷却媒体が固形化すると、その流動性が低下し、燃料電池システムの円滑な作動を妨げるおそれがある。また、固形化した冷却媒体が、冷媒循環流路に設けられたバルブ、駆動部、調整弁等、稼動部を有する各種要素において、咬み込みや作動不良等の不具合を招くおそれがある。
また、燃料電池システムの始動時においては、固形化した冷却媒体を融解する必要が生じ、円滑な始動が困難となるおそれがある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１５１５９９号公報
【特許文献２】特開２００１−２２３０１７号公報
【特許文献３】特開２００４−１４６３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、作動温度が３００℃以上の燃料電池の均一な温度制御を効率的に行うことができると共に、円滑な始動及び作動を確保することができる燃料電池システムを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、水素を含有する水素含有燃料ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
該燃料電池システムは、上記燃料電池を冷却するための冷却媒体を循環させる冷媒循環流路を有しており、
上記冷却媒体は、無機系冷媒と、該無機系冷媒よりも融点の低い低融点媒体とを混合してなることを特徴とする燃料電池システムにある（請求項１）。
【００１０】
次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記燃料電池システムにおいては、上記燃料電池を冷却するための冷却媒体として、無機系冷媒を用いている。無機系冷媒は無機物により構成されているため熱安定性に優れ、３００℃以上という高温においても変質することがない。
それ故、上記無機系冷媒は、作動温度を３００℃以上の所定領域とする燃料電池を温度制御するための冷却媒体として、充分に機能することができる。
【００１１】
また、上記無機系冷媒は、３００℃以上において液体の状態に保つことができる。それ故、上記冷却媒体を熱容量の大きい状態で冷媒循環流路に流通させることができるため、燃料電池との熱交換効率を高くすることができる。そして、燃料電池を通過する間における冷却媒体の温度上昇を抑制することができるため、燃料電池内部の温度分布の均一化を図ることができる。
【００１２】
また、上記冷却媒体は、上記無機系冷媒と上記低融点媒体とを混合してなる。そのため、冷却媒体の温度が下がって上記無機系冷媒が固形化しても、上記低融点媒体は液体状態を保つことができる。それ故、固形化した無機系冷媒は、液体の低融点媒体と共に冷媒循環流路を流動することができる。
このように、上記冷却媒体は、低温状態においても流動性を確保することができる。
【００１３】
また、冷却媒体の流動性を確保することにより、冷媒循環流路に設けられたバルブ、駆動部、調整弁等、稼動部を有する各種要素における、咬み込みや作動不良等の不具合を防ぐことができ、燃料電池システムの円滑な作動を確保することができる。
また、固形化した無機系冷媒を、燃料電池システムの始動時に上記低融点媒体と共に円滑に流動させることで、上記無機系冷媒の融解、液化を促進することができる。その結果、燃料電池システムの円滑な始動を確保することができる。
【００１４】
以上のごとく、本発明によれば、作動温度が３００℃以上の燃料電池の均一な温度制御を効率的に行うことができると共に、円滑な始動及び作動を確保することができる燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明（請求項１）において、上記無機系冷媒は、無機物で構成された冷媒であって、例えば、硝酸カリウム（KNO3）と亜硝酸ナトリウム（NaNO2）と硝酸ナトリウム（NaNO3）との混合物からなるものがある。また、その混合比としては、例えば、硝酸カリウム（KNO3）５３重量％、亜硝酸ナトリウム（NaNO2）４０重量％、硝酸ナトリウム（NaNO3）７重量％とすることができる。この組成の無機系冷媒は、融点が約１４２℃となる。
また、上記低融点媒体の融点は、例えば１５０℃以下であることが好ましい。この場合には、燃料電池システムの停止時においても、低融点媒体の固形化を確実に防止し、冷却媒体の流動性を確保することができる。
【００１６】
また、上記燃料電池は、上記水素含有燃料ガスが供給されるアノード流路と、酸素を含有する酸素含有ガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、該電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有燃料ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過した上記水素を水素プロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層とを積層してなることが好ましい（請求項２）。
【００１７】
この場合には、上記燃料電池を、例えば４００〜６００℃、或いは４００〜５００℃の高温状態で作動させることができる。
即ち、上記燃料電池は、上記水素分離金属層と上記プロトン伝導体層とを積層してなる電解質体を備えており、セラミックスからなる上記プロトン伝導体層は水分を含浸させずに用いることができるため、上記のような高温状態で作動させることができる。
【００１８】
そのため、改質器を用いて炭化水素等を改質して上記水素含有燃料ガスを生成する場合に、例えば４００℃以上の高温の水素含有燃料ガスを大幅に冷却させることなく、上記燃料電池に供給することができる。
そして、かかる燃料電池システムに本発明を適用することにより、燃料電池の均一な温度制御を効率的に行うことができると共に、円滑な始動及び作動を確保することができ、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。
【００１９】
また、上記無機系冷媒は、上記燃料電池の作動温度域で液体状態にある無機系冷媒であることが好ましい（請求項３）。
この場合には、例えば３００〜６００℃、４００〜６００℃、或いは４００〜５００℃という上記の水素分離膜型の燃料電池の作動温度領域において、冷却媒体を液体状態に保つことができるため、上記燃料電池の温度分布制御を効率的に行うことができる。
【００２０】
また、上記無機系冷媒は、硝酸カリウム、亜硝酸ナトリウム、硝酸ナトリウムの少なくとも１種を含むことが好ましい（請求項４）。
この場合には、３００℃以上の高温においても変質することなく液体状態に保つことができる冷却媒体を容易に得ることができる。
【００２１】
また、上記低融点媒体は、上記無機系冷媒よりも沸点が低いことが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記低融点媒体のみを気化させることにより、上記低融点媒体と上記無機系冷媒とを容易に分離することができる。これにより、燃料電池システムの定常作動時においては、低融点媒体を除去した状態で熱容量の大きい無機系冷媒からなる冷却媒体を循環させて、燃料電池の冷却を行うことができる。それ故、燃料電池を通過する間における冷却媒体の温度上昇を小さくして、燃料電池内部の温度分布の均一化を図ることができると共に、冷却効率の向上を図ることができる。
【００２２】
なお、上記低融点媒体の沸点は、上記無機系冷媒の沸点よりも高く、例えば１５０〜４００℃であることが好ましい。これにより、固形化した無機系冷媒を液体状態にある低融点媒体と共に円滑に流動させることができると共に、無機系冷媒と低融点媒体との分離が容易となる。
上記沸点が４００℃を超える場合には、燃料電池の作動条件において、液体の無機系冷媒と低融点媒体とを分離することが困難となるおそれがある。一方、上記沸点が１５０℃未満の場合には、温度低下に伴い無機系冷媒が固形化したときにおいても低融点媒体が気体の状態にあるおそれがあり、低融点媒体を、固形化した無機系冷媒と共に流動させることが困難となるおそれがある。
【００２３】
また、上記燃料電池システムは、上記低融点媒体を上記無機系冷媒から分離して貯蔵するための分離機構を有することが好ましい（請求項６）。
この場合には、燃料電池システムの定常作動時においては、低融点媒体を除去した状態で熱容量の大きい無機系冷媒からなる冷却媒体を循環させて、燃料電池の冷却を行うことができる。それ故、燃料電池を通過する間における冷却媒体の温度上昇を小さくして、燃料電池内部の温度分布の均一化を図ることができると共に、冷却効率の向上を図ることができる。
また、燃料電池システムの停止時など、冷却媒体の温度が下がった場合に、分離、貯蔵しておいた低融点媒体を、冷媒循環流路に戻して、無機系冷媒と共に循環させることができる。これにより、冷却媒体の円滑な流通を確保することができる。
【００２４】
また、上記低融点媒体は水であることが好ましい（請求項７）。
この場合には、低温状態における冷却媒体の流動性を容易に確保することができる。
また、水は、気体状態、液体状態を通じて、無機系冷媒への被毒などの影響を与えるおそれがない。また、３００℃を超える高温となった場合にも、分解、変質するおそれがない。また、水の沸点は充分に低いため、流動可能となった無機系冷媒との分離を容易に行うことができる。
また、加圧することにより、水の沸点を高くし、例えば１５０℃以上に調整することができる。
【実施例】
【００２５】
本発明の実施例にかかる燃料電池システムにつき、図１〜図１０を用いて説明する。
本例の燃料電池システム１は、図１に示すごとく、水素を含有する水素含有燃料ガス５１を利用して発電を行う燃料電池３を備えている。
燃料電池システム１は、上記燃料電池３を冷却するための冷却媒体４０を循環させる冷媒循環流路４を有している。
そして、上記冷却媒体４０は、図２〜図６に示すごとく、無機系冷媒４１と、該無機系冷媒４１よりも融点及び沸点の低い低融点媒体４２とを混合してなる。
【００２６】
上記無機系冷媒４１としては、硝酸カリウム（KNO3）と亜硝酸ナトリウム（NaNO2）と硝酸ナトリウム（NaNO3）との混合物からなるものを用いる。また、その混合比としては、硝酸カリウム（KNO3）５３重量％、亜硝酸ナトリウム（NaNO2）４０重量％、硝酸ナトリウム（NaNO3）７重量％とすることができる。この組成の無機系冷媒４１は、融点が約１４２℃となる。
【００２７】
なお、本例では、無機系冷媒４１として、硝酸カリウム、亜硝酸ナトリウム、硝酸ナトリウムを用いたが、上記無機系冷媒４１は、これらに限定されず、水素分離膜型燃料電池の作動温度（例えば３００〜６００℃）で液体状態にある無機物であればよい。
一方、上記低融点媒体４１としては、水（H2O）を用いる。ただし、この水は、約０．４ＭＰａの圧力に加圧されていることにより、沸点が約１５０℃以上となっている。
【００２８】
上記燃料電池システム１は、図７〜図９に示すごとく、低融点媒体４２を無機系冷媒４１から分離して貯蔵するための分離機構１５を有する。
該分離機構１５は、図７に示すごとく、気化した低融点媒体４２が液体の無機系冷媒４１よりも比重が小さくなることを利用して、低融点媒体４２を無機系冷媒４１から分離する。即ち、上記分離機構１５は、冷媒循環流路４のうち最も高い位置にある部位において、冷媒循環流路４の上方に連通するように形成されている。
また、気体の低融点媒体４２は、気液分離膜を用いて無機系冷媒４１と分離することもできる。
【００２９】
そして、図８に示すごとく、分離した低融点媒体４２は、冷却することで液化し、再利用のために貯蔵する。このとき、液化した低融点媒体４２を、図１に示すタンク１４へ送り、貯蔵してもよい。
【００３０】
図１に示すごとく、上記冷媒循環流路４は、冷却媒体４０を貯蔵するためのタンク１４と連通されている。
また、冷媒循環流路４の一部には、冷却媒体４０との熱交換を行うための熱交換用流体６１を流通させる熱交換流路６０が並行して配設されている。その手段としては、例えば、上記冷媒循環流路４を外側に配し、上記熱交換流路６０を内側に配した二重管を構成することができる。
また、冷媒循環流路４は、冷却媒体４０と熱交換用流体６１との熱交換を行うための熱交換ユニット６２を設けている。
【００３１】
上記燃料電池３は、図１、図１０に示すごとく、上記水素含有燃料ガス５１が供給されるアノード流路３２と、酸素を含有する酸素含有ガス５２が供給されるカソード流路３３と、該カソード流路３３と上記アノード流路３２との間に配設された電解質体３１とを有している。該電解質体３１は、上記アノード流路３２に供給された水素含有燃料ガス５１中の水素を透過させるための水素分離金属層３１１と、該水素分離金属層３１１を透過した水素を水素プロトンの状態にして透過させてカソード流路３３に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層３１２とを積層してなる。
【００３２】
上記水素分離金属層３１１は、パラジウム（Ｐｄ）とバナジウム（Ｖ）との積層金属からなる。なお、水素分離金属層３１１は、パラジウムのみでもよく、これを含有する合金とすることもできる。また、水素分離金属層３１１は、３気圧のアノードガス供給条件下において、電流密度に換算して１０Ａ／ｃｍ2を超える水素透過性能（水素分離性能）を有している。こうして、水素分離金属層３１１の導電抵抗は無視できる程度に小さくしている。
また、上記プロトン伝導体層３１２は、セラミックスとしてのペロブスカイト型酸化物からなる。そして、プロトン伝導体層３１２の導電抵抗は、固体高分子型電解質膜の導電抵抗と同じくらいになるまで小さくしている。また、ペロブスカイト型酸化物としては、例えば、ＢａＣｅＯ3系のもの、ＳｒＣｅＯ3系のものがある。
【００３３】
また、図１０に示すごとく、上記電解質体３１は、上記プロトン伝導体層３１２における上記アノード流路３２の側の表面に形成したアノード電極３２１（陽極）と、上記プロトン伝導体層３１２における上記カソード流路３３の側の表面に形成したカソード電極３３１（陰極）とを有している。また、アノード電極３２１とカソード電極３３１との間には、上記燃料電池３から電力を取り出すための電池出力線３６が接続されている。
【００３４】
また、上記プロトン伝導体層３１２におけるアノード電極３２１は、上記水素分離金属層３１１を構成するパラジウムにより構成している。また、上記プロトン伝導体層３１２におけるカソード電極３３１は、Ｐｔ系の電極触媒により構成している。なお、アノード電極３２１も、Ｐｔ系の電極触媒により構成することもできる。
上記燃料電池３の作動温度は４００〜６００℃、好ましくは４００〜５００℃であり、この温度範囲に燃料電池３の温度を保つように、図１に示すごとく、冷却媒体４０を冷媒循環流路４に流通させている。
【００３５】
また、図１に示すごとく、上記燃料電池システム１は、改質用燃料５０から水素含有燃料ガス５１を生成する改質反応流路２１と、該改質反応流路２１を加熱するための加熱流路２２とを有する改質器２を備えている。
また、上記加熱流路２２においては、改質器燃焼用ガス５４を供給してこれを燃焼させることにより、改質反応流路２１を加熱する。
上記改質用燃料５０としては、炭化水素燃料を用いる。また、上記改質器燃焼用ガス５４としては、改質原料の炭化水素燃料を用いる。また、これに代えて、或いはこれと共に、未使用Ｈ2、加熱ＣＯ、ＣＨ4などを含むアノードオフガス５１１を加熱流路２２に供給し、燃焼させることもできる。
【００３６】
また、図１に示すごとく、上記改質器２と燃料電池３との間には、燃料ガス用熱交換器１１が配設されており、改質器２において生成した水素含有燃料ガス５１の温度を調整して、燃料電池３に送り込むよう構成されている。また、上記燃料ガス用熱交換器１１においては、燃料電池３のカソード流路３３から排出されたカソードオフガス５２１との間で熱交換させることにより、上記水素含有燃料ガス５１の温度を調整する。
【００３７】
図１に示すごとく、上記燃料ガス用熱交換器１１を通過して高温の状態となっているカソードオフガス５２１は、改質器２の改質反応流路２１に導かれる。これにより、燃料電池３における反応に使用されなかったカソードオフガス５２１中の残存酸素とガス顕熱により輸送される熱を、改質反応流路２１において有効に利用することができる。
【００３８】
また、燃料電池３のアノード流路３２から排出された高温のアノードオフガス５１１も、改質器２の改質反応流路２１に導かれる。これにより、燃料電池３の電解質体３１における水素分離金属層３１１を透過しなかったアノードオフガス５１１中の残存水素とガス顕熱により輸送される熱を、有効に再利用することができる。
また、上記アノードオフガス５１１の一部は、熱交換用流体６１として、タンク１４の流路、熱交換流路６０、熱交換ユニット６２を順次通過する。これにより、冷却媒体４０との熱交換を行う。
【００３９】
また、上記改質器２の加熱流路２２から排出された改質器燃焼オフガス５４１は、燃料電池システム１の外部に排出される。
なお、図１は燃料電池システム１の模式図であり、冷媒循環流路４や熱交換流路６０等の流路に設けられた、各種ポンプ、各種バルブ、各種弁、その他の要素については記載を省略してある。
【００４０】
以下に、図２〜図９を用いて、燃料電池システム１の作動状況に伴う、冷却媒体４０の状態変化等につき説明する。
燃料電池システム１の停止時においては、図２に示すごとく、冷却媒体４０における無機系冷媒４１は温度低下することにより固形化する。一方、低融点媒体４２は、液体の状態を保っている。これにより、冷却媒体４０の流動性は確保されている。
【００４１】
次に、燃料電池システム１の始動時においては、冷却媒体４０の温度はまだ充分に高くないが、上述のごとく冷却媒体４０の流動性は確保されている。そのため、図３に示すごとく、無機系冷媒４１は固体の状態のまま低融点媒体４２に浮遊しつつ、低融点媒体４２と共に冷媒循環流路４の中を流動する。
そして、固体の無機系冷媒４１は、冷媒循環流路４を循環する中で、熱交換ユニット６２等において熱を受けることにより温度上昇し、図４、図５に示すごとく、徐々に融解され、液化する。
【００４２】
更に、冷却媒体４０の温度が上昇し、約１５０℃を超えると、図６に示すごとく、低融点媒体４２が気化する。一方、上記無機系冷媒４１は、冷却媒体４０が約１４２℃に達すると、略完全に液化する。
そして、気化した低融点媒体４２は、図７に示すごとく、分離機構１５によって無機系冷媒４１と分離され、貯蔵される。
これにより、冷媒循環流路４においては、低融点媒体４２と分離された液体の無機系冷媒４１からなる冷却媒体４０が循環する。
【００４３】
また、上記分離機構１５において分離され気化した低融点媒体４２は、図８に示すごとく、冷却することにより液化しておく。
そして、燃料電池システム１の停止時や始動時等、冷却媒体４０が温度低下して無機系冷媒４１の固化温度（約１４２℃）以下となる前に、図９に示すごとく、液化された上記低融点媒体４２を冷媒循環流路４に再注入する。
これにより、冷却媒体４０の流動性を確保する。
【００４４】
次に、本例の作用効果につき説明する。
上記燃料電池システム１においては、上記燃料電池３を冷却するための冷却媒体４０として、無機系冷媒４１を用いている。無機系冷媒４１は無機物により構成されているため熱安定性に優れ、３００℃以上という高温においても変質することがない。
それ故、上記無機系冷媒４１は、作動温度を３００℃以上の所定領域（本例の場合は４００〜６００℃）とする燃料電池３を温度制御するための冷却媒体４０として、充分に機能することができる。
【００４５】
また、上記無機系冷媒４１は、３００℃以上において液体の状態に保つことができる。即ち、本例の無機系冷媒４１の融点は約１４２℃であり、３００℃以上においては液体状態である。
それ故、上記冷却媒体４０（無機系冷媒４１）を熱容量の大きい状態で冷媒循環流路４に流通させることができるため、燃料電池３との熱交換効率を高くすることができる。そして、燃料電池３を通過する間における冷却媒体４０の温度上昇を抑制することができるため、燃料電池３内部の温度分布の均一化を図ることができる。
【００４６】
また、上記冷却媒体４０は、上記無機系冷媒４１と上記低融点媒体４２とを混合してなる。そのため、冷却媒体４０の温度が下がって無機系冷媒４１が固形化しても、低融点媒体４２は液体状態を保つことができる。それ故、図３、図４に示すごとく、固形化した無機系冷媒４１は、液体の低融点媒体４２と共に冷媒循環流路４を流動することができる。
このように、上記冷却媒体４０は、低温状態においても流動性を確保することができる。
【００４７】
また、冷却媒体４０の流動性を確保することにより、冷媒循環流路４に設けられたバルブ、駆動部、調整弁等、稼動部を有する各種要素における、咬み込みや作動不良等の不具合を防ぐことができ、燃料電池システム１の円滑な作動を確保することができる。
また、固形化した無機系冷媒４１を、燃料電池システム１の始動時に低融点媒体４２と共に円滑に流動させることで、無機系冷媒４１の融解、液化を促進することができる。その結果、燃料電池システム１の円滑な始動を確保することができる。
【００４８】
また、上記燃料電池３は、図１０に示すごとく、上記水素分離金属層３１１と上記プロトン伝導体層３１２とを積層してなる電解質体３１を有する燃料電池である。
そのため、上記燃料電池３を、４００〜６００℃、或いは４００〜５００℃の高温状態で作動させることができる。即ち、上記燃料電池３は、上記水素分離金属層３１１と上記プロトン伝導体層３１２とを積層してなる電解質体３１１を備えており、セラミックスからなる上記プロトン伝導体層３１２は水分を含浸させずに用いることができるため、上記のような高温状態で作動させることができる。
【００４９】
そのため、改質器２を用いて炭化水素（改質用燃料５０）を改質して生成された、４００〜６００℃という高温の水素含有燃料ガス５１を大幅に冷却させることなく、上記燃料電池３に供給することができる。
そして、かかる燃料電池システム１に本発明を適用することにより、燃料電池３の温度制御を効率的に行うことができると共に、円滑な始動及び作動を確保することができ、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。
【００５０】
また、特にこのような燃料電池３においては、温度分布が内部に生ずると、熱応力の発生による耐久性の低下の要因となるが、上記のごとく温度分布の均一化を図ることにより、燃料電池３の耐久性を向上させることができる。また、この均一温度場の実現により、燃料電池３内における水素脆化や金属拡散等の不具合も防止することができる。
【００５１】
また、上記低融点媒体４２は、無機系冷媒４１よりも沸点が低いため、図７に示すごとく、低融点媒体４２のみを気化させることにより、低融点媒体４２と無機系冷媒４１とを容易に分離することができる。これにより、燃料電池システム１の定常作動時においては、図８に示すごとく、低融点媒体４２を除去した状態で熱容量の大きい無機系冷媒４１からなる冷却媒体４０を循環させて、燃料電池１の冷却を行うことができる。それ故、燃料電池３を通過する間における冷却媒体４０の温度上昇を小さくして、燃料電池３内部の温度分布の均一化を図ることができると共に、冷却効率の向上を図ることができる。
【００５２】
また、上記燃料電池システム１は、図７〜図９に示すごとく、上記分離機構１５を有するため、燃料電池システム１の定常作動時においては、低融点媒体４２を除去した状態で無機系冷媒４１からなる冷却媒体４０を循環させて、燃料電池３の冷却を行うことができる。それ故、上記のごとく、燃料電池３内部の温度分布の均一化、及び冷却効率の向上を図ることができる。
【００５３】
また、燃料電池システム１の停止時など、冷却媒体４０の温度が下がった場合に、図９に示すごとく、分離、貯蔵しておいた低融点媒体４２を、冷媒循環流路４に戻して、無機系冷媒４１と共に循環させることができる。これにより、冷却媒体４０の円滑な流通を確保することができる。
【００５４】
また、上記低融点媒体４２は水であるため、低温状態における冷却媒体４０の流動性を容易に確保することができる。また、水は、気体状態、液体状態を通じて、無機系冷媒４１への被毒などの影響を与えるおそれがない。また、３００℃を超える高温となった場合にも、分解、変質するおそれがない。また、水の沸点は充分に低いため、流動可能となった無機系冷媒４２との分離を容易に行うことができる。
【００５５】
以上のごとく、本例によれば、作動温度が３００℃以上の燃料電池の均一な温度制御を効率的に行うことができると共に、円滑な始動及び作動を確保することができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】実施例における、燃料電池システムの模式図。
【図２】実施例における、燃料電池システム停止時の冷却媒体の模式図。
【図３】実施例における、燃料電池システム始動時の冷却媒体の模式図。
【図４】実施例における、無機系冷媒が融解しつつある状態の冷却媒体の模式図。
【図５】実施例における、無機系冷媒が液化した状態の冷却媒体の模式図。
【図６】実施例における、低融点媒体が気化した状態の冷却媒体の模式図。
【図７】実施例における、気化した低融点媒体を無機系冷媒から分離する方法を示す模式図。
【図８】実施例における、燃料電池システムの定常作動時の冷却媒体の模式図。
【図９】実施例における、液化した低融点媒体を冷媒循環流路へ再注入する状態を示す模式図。
【図１０】実施例における、燃料電池の説明図。
【符号の説明】
【００５７】
１  燃料電池システム
２  改質器
３  燃料電池
４  冷媒循環流路
４０  冷却媒体
４１  無機系冷媒
４２  低融点媒体
５１  水素含有燃料ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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